资源描述
多、高层建筑钢结构 节点设计,(华中科技大学土木与力学学院),内容,节点的设计原则 (总),节点设计时的构造要求,各类节点的做法及特点,节点分类,一、节点的设计原则,1、不考虑抗震要求时,结构的主要荷载,包括两种情况,抗震,非抗震,结构一般处于弹性状态,2、当考虑抗震要求时,结构的主要荷载,地震荷载,结构可能进入塑性状态,满足构件内力要求,特殊设计要求,构件塑性时的局部稳定,节点极限承载力,梁塑性时的侧向稳定,A、节点极限承载力,Mu 1.2 Mp,Vu 1.3 (2Mp/l),Mu、Vu 节点的极限受弯、受剪承载力,Mp 梁的全塑性弯矩承载力,l 梁的净跨度,Ru 1.2 An fy,Ru 支撑连接的极限承载力,An 支撑杆净截面面积,fy 支撑杆材料的屈服强度,B、构件进入塑性状态时, 板件的局部稳定应有保证,框架梁板件宽厚比限值,注:1、表中,N为梁的轴向力,A为梁的截面面积,f为梁的钢材强度设计值; 2、表列值适用于 = Q235钢,当钢材为其它牌号时应乘以,C、受弯构件塑性区应设置侧向支撑点,避免梁发生侧向的弯扭失稳,L0 两相邻支撑点之间的间距,L0 / b0 ? (根据钢结构规范),b0 受压翼缘的宽度,二、节点设计的构造要求(总),1、设计时,应使节点构造简单,施工方便,便于就位和调整,2、应防止厚钢板层状撕裂,如图,通过轧制而成的钢板,三个方向的机械性能均不相同,其中Z向(厚度方向)最差,特别是塑性和韧性,钢板受撕裂情况,B、对于容易发生撕裂的部位,应要求严格检查,A、尽量避免焊缝收缩方向垂直钢板板面方向,C、在满足承载力要求的前提下,尽量减少焊缝尺寸,构造措施,3、在确定框架吊装单元时,应根据构件重量、运输和起吊设备综合确定,二层或三层楼高一根(一、四层也可),每跨梁一根,密柱深梁的框筒,三根柱 + 三根梁,三根柱 + 二根梁,世界贸易中心,美国,纽约 411m,地上110层,地下6层 ,1973年竣工,阿莫科大厦(Amoco Building) 芝加哥标准石油大楼,美国,芝加哥 342m 地上82层,地下5层 1973年,4、柱的工地接头一般设置在主梁顶面1.0 1.3 m 高处,以便于安装,5、梁若需要现场接头,其位置应根据内力、运输、支撑综合确定,一般距离柱轴线约0.5 - 1.5m,6、焊条应与钢材的型号匹配,尽量选择强度低的,使节点有好的延性,7、为了焊透和满焊,应设置引弧板和垫板,且焊件应加工成坡口,8、对于主要承重构件的螺栓连接,应采用高强度螺栓,9、若节点为栓焊混合连接,应先安装螺栓,再施焊,三、高层建筑钢结构节点的类型,梁 柱,柱 柱,梁 梁,柱 基础,支撑 梁柱,钢梁 钢砼剪力墙,1、梁柱节点,半刚性连接,刚性连接,铰接,A、刚性连接,全焊连接,全栓连接,栓焊连接,梁-柱全焊接刚性节点,梁-柱栓焊混合连接刚性节点,T型铸钢件 角钢,T型铸钢件和角钢可以在工厂力先焊在柱上,以减少现场工作量,但运输应注意,全栓连接,梁-柱T形件连接,B、半刚性连接,介于刚性和铰接之间,有较大的延性和吸能性能,用于低烈度地震区,层数不多的钢框架,梁-柱端板连接,C、铰接连接,梁可绕节点转动,节点不能传递弯矩M 连接方法简单,施工方便,当不考虑钢框架抵抗水平力时,可以考虑铰接,梁-柱的柔性连接,2、柱柱节点,宽翼缘工字型,矩型管截面,A、柱截面,热轧宽翼缘工字型截面,焊接的工字型截面,四块钢板通过焊接而成,B、柱腹板、翼缘之间的焊接构造, 焊接的工字型截面,角焊缝,承受腹板、翼缘之间的竖向剪力, 焊接的矩形管截面,a、当不考虑抗震要求时,部分熔透的 “ V ” 型,熔透的“ U ” 型,转角处焊缝,hf 1/3 t; hf 14 mm,箱形柱角部组合焊缝,(a)部分熔透焊缝; (b)全熔透焊缝,C、柱接头做法, 不考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板, 厚度大于10mm,宽翼缘工字型,矩型管截面,b、柱接头处采用部分焊透的单边 “ V ” “ J ” 型坡口,c、柱接头位置一般在梁上1.0-1.3m处,以方便施工,部分焊透焊缝,工形柱工地拼接, 考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板,方法同上,b、柱接头位于塑性区范围以外 1/10 L 和 2h (取大值),c、对于工字型截面, 翼缘熔透坡口焊,承受弯矩M 腹板高强度螺栓,承受剪力Q 轴力由两者共同承担,d、矩形管截面,采用焊透的坡口焊,箱形柱工地焊接, 柱的变截面连接,a、 尽量不改变截面高度而改变翼缘厚度,b、若改变截面高度,则做法如图,c、变截面位置一般位于接头部位,柱的变截面连接(1),柱的变截面连接(2),3、梁梁节点,A、主梁的拼接,拼接位置应在框架节点塑性区以外,主梁的拼接形式,B、主次梁的相互连接,为防止受扭,宜采用铰接方法,次梁与主梁的简支连接,次梁高度较小时与主梁的连接,次梁与主梁的刚性连接,C、主梁的侧向隅撑,为防止主梁塑性区侧向失稳,设置隅撑,距离柱轴线1/81/10梁跨处设置,设置在梁的下翼缘,设置方法,梁的侧向隅撑,4、墙梁节点,A、钢梁与砼墙的连接,采用铰接,承受拉力和剪力,钢梁与混凝土墙连接 钢梁与混凝土墙的简支连接,B、钢梁与砼梁的连接,钢梁与混凝土梁的连接,1、大跨度钢结构,2、组合结构,3、钢结构住宅在我国的应用和前景,4、我国钢结构建筑的历史和未来,现代钢结构进展,高层建筑钢结构 楼板设计,内容,楼板设计的基本要求,楼板的类型,作法,每类楼板相关的内容,特点,设计方法,构造要求,建筑,使用,受力,一、楼板设计的基本要求,A、承受和传递荷载(水平和竖向荷载),B、隔音的要求,具体满足两个方面的要求,刚度,强度,保证住宅私密性,C、防火要求,采取防火措施, 保护钢梁和楼板,D、防水要求,楼面和屋面, 均应进行防水处理,E、管线敷设要求,管线,竖向,水平,一般敷设在楼板内,二、楼板的分类,做法不同,现浇钢砼楼板,预制钢砼楼板,压型钢板砼楼板,四类,钢砼叠合楼板,1、现浇钢砼楼板,做法,由钢筋与砼现场浇注而成,两者共同受力,特点,B、由支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等工序构成, 施工复杂、繁琐,且影响钢构件的吊装,A、可以浇住成任意平面形状,整体刚度好,应用,一般很少用于高层建筑钢结构,C、楼板与钢梁表面之间应加抗剪连接件(栓钉),2、预制钢砼楼板,做法,直接由工厂或现场预制,置于钢梁上, 用细实混凝土浇灌槽口和板缝,特点,B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序,但需吊装,且影响钢构件的吊装,A、楼板整体刚度差,不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,分类,预制预应力钢砼楼板,预制钢砼楼板,3、钢砼叠合楼板,做法,把钢砼楼板分两层,特点,B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序,但需吊装,且影响钢构件的吊装,A、楼板整体刚度好,但不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,上层:在下层预制板上完成现浇作业,下层:较薄的预制板,吊装到钢梁上,起模板作用,4、压型钢板砼板,三、压型钢板砼楼板的做法、特点,做法,把压型钢板首先铺在钢梁上,并与梁翼缘焊接, 然后在压型钢板上现浇砼或钢砼。,砼与压型钢板之间、压型钢板与钢梁之间均有抗剪构造连接件,纵向水平剪切粘结破坏,国产压型钢板板型 国外板型,组合板的组合方式,压型钢板组合梁 (a)肋平行于主钢梁 (b)肋垂直于主钢梁,压型钢板砼楼板特点,施工,设计,从设计角度,B、极限承载力大,达到30 - 50 kN/m2,A、组合后刚度大、延性好、抗震性能好,C、楼板的刚度大,能有效地传递水平荷载,D、楼板可作为钢梁的一部分,提高了钢 梁的抗弯刚度和承载力(20-30%), 增加了梁的侧向稳定,E、合理利用材料,充分发挥其各自优势,钢梁外露的组合梁,从施工角度,B、压型钢板一旦铺设,可作为工作平台,A、压型钢板很轻,安装时方便、速度快,C、浇灌砼可单独进行,与其它安装工序不打搅,D、压型钢板的沟槽可以用来敷设管线,E、不需要支模,大大方便了施工,应用,在高层建筑钢结构中应用非常普遍,瑞金大厦,107m, 地上29层, 地下1层,上海,于1986年竣工,10层以上采用压型钢板砼板,梁上抗剪栓钉: 116230 216230,瑞金大厦,北京,82.75m, 地上26层,于1986年竣工,京城大厦,北京,地上25层,地下2层, 94m,1987年建成,长富宫中心,北京,地上52层,地下3层,196m高,1990年建成,京广中心,中国,北京, 153.55m,地下2层, 地上39层,中国国际贸易中心,深圳, 151m,地上40层,地下1层,深圳发展中心大厦,上海,地下1层,地上43层,143.62m,上海静安希尔顿酒店,上海,129.55m,地下2层, 地上35层,上海国际贸易中心,四、压型钢板砼楼板的分类,做法、受力不同,非组合板,组合板,组合板,B、压型钢板为使用阶段的受力钢板,A、压型钢板为施工阶段的模板,C、砼中不配钢筋,B、组合板(压型钢板+素砼)在使用阶段的计算,A、压型钢板在施工阶段的验算,做法,计算内容,计算方法同普通钢砼,非组合板,做法,A、压型钢板仅为施工阶段的模板,B、使用阶段受力的部分为钢砼板,B、钢砼板在使用阶段的计算,A、压型钢板在施工阶段的验算,计算内容,应用最为普遍,C、砼中配钢筋,五、压型钢板计算(施工阶段),所受荷载,施工荷载,包括人、设备和材料,大于1.5kN/m2,湿的砼、压型钢板自重,正应力,剪应力,腹板局部承载力,折算应力,计算内容,刚度,强度,正应力计算,max f,剪应力计算,max fv,折算应力计算,腹板局部承载力计算,原因,压型钢板较薄,腹板可能受较大集中力或支座反力,腹板压跛 (Web Crippling),为避免压跛现象出现,根据欧洲所做的大量试验,以及我国现行国 家标准冷弯薄壁型钢结构技术规范建议采用如下公式进行验算 式中 支座反力; 一块腹板的局部受压承载力设计值; 钢材抗压强度设计值; 系数,中间支座取0.12,端部支座取0.06; 腹板厚度(mm); 支座处的支承长度100 mm 200 mm,端部支座可取 100 mm; 腹板倾角(45 90)。,压型钢板刚度验算,(5)挠度验算 压型钢板在施工阶段应进行挠度计算。当均布荷载作 用时 简支板 双跨连续板 式中 板的挠度; 单位宽度均布短期荷载值,取荷载标准值; 压型钢板弹性模量; 单位宽度均布压型钢板的惯性矩; 板的容许挠度。 根据我国近十年来的工程实验经验,对于应用于楼板中 的压型钢板,其最大挠度 不应超过跨度的1/200和20mm的 较小值。,六、组合板计算(使用阶段),所受荷载,使用荷载,砼、压型钢板自重,横截面抗弯强度,叠合面抗剪强度,集中力作用下的抗冲切计算,斜截面抗剪强度,计算内容,复杂,不介绍,刚度,强度,横截面抗弯强度,砼只考虑受压,不考虑受拉 压型钢板考虑受拉、压 拉、压材料同时达到设计值,计算原则,两种情形,组合板正截面抗弯能力计算图,情形1:中性轴位于压型钢板以外,(1)当 时 塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上混凝土内(如上图),组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 组合板受压区高度,当时 ,取 ; 组合板的有效高度; 压型钢板截面应力合力至混凝土受压区截面应力的合力的距离, 取 ; 压型钢板的波距; 压型钢板波距内的截面面积; 压型钢板的抗拉强度设计值。,情形2:中性轴位于压型钢板以内,(2)当时 塑性中和轴在压型钢板内(如上图),组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 塑性中和轴以上的压型钢板面积; 压型钢板受拉区截面拉应力的合力分别至受 压区混凝土板截面和压型钢板截面压应力的 合力的距离。,斜面抗剪强度,斜截面承载力计算 组合板的斜截面受剪承载力应按下式计算 式中 截面高度系数, ; 当 mm时,取 mm; 当 mm时,取 mm; 组合板斜截面上的最大剪力设计值; 混凝土轴心抗拉强度设计值; 组合板平均肋宽。,集中力作用下的抗冲切计算,抗冲切强度计算 组合板在集中荷载作用下的抗冲切强度按下式计算 式中 临界周边长度,如下图所示; 混凝土最小浇注厚度; 混凝土轴心抗拉强度设计值。,临界周边长度,刚度的计算,fmax f ,两个简化,组合板的等效惯性矩为开裂和不开裂的平均值,将钢板根据弹模之比简化成砼,七、抗剪栓钉的构造要求,B、栓钉应设置在压型钢板的凹肋处 穿透钢板,与压型钢板一起焊在 钢梁上,A、组合楼板的端部均应设置栓钉,C、栓钉直径一般小于19 mm,板跨小于 3m d = 13mm or d = 16mm,板跨3-6 m d = 16mm or d = 19mm,板跨大于6 m d = 19mm,D、栓钉间距 应在每个凹肋处设置一个,栓 钉间距 S 梁轴线方向: S 5 d 垂直于梁轴线方向: S 4 d 距离钢梁翼缘边: S 35mm E、栓钉顶面的砼保护层 15mm 栓钉总高度大于压型钢板 30mm,
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